Baktérie, ako najjednoduchšie živé organizmy na Zemi, tu boli miliardy rokov pred nami. Sú všadeprítomné a v jednom grame pôdy ich je viac ako 109. Sú schopné života od mínusových teplôt až do 120 ?C v horúcich prameňoch, žijú aj pri vysokých tlakoch na dne oceánov. Máme sa teda od nich čo učiť.
Dnes skoro každý vie, že za väčšinu infekčných ochorení, ktoré nám znepríjemňujú život a v niektorých prípadoch ho aj ohrozujú, sú zodpovedné buď navonok neživé vírusy, alebo malé mikroorganizmy – patogénne baktérie. V rámci evolúcie sa svety baktérií a človeka navzájom ovplyvňovali, či už v pozitívnom, alebo v negatívnom slova zmysle. A či už si to prajeme, alebo nie, baktérie tu jednoducho sú a človek ako koruna tvorstva sa tejto koexistencii musel prispôsobiť.
Tisíce rokov ľudia nemali o baktériách ani poňatia a iba navonok pozorovali výsledky ich činnosti, produktom ktorej boli mnohé známe potraviny a nápoje. Bez pôsobenia baktérií by sme nemali mnohé veľmi chutné potraviny a nápoje, ako napríklad jogurty, syry, čaj, káva, víno či pivo.
Bez baktérií by život na Zemi nebol možný a človek je od nich v mnohom závislý. Tieto tvory, ľudskému oku neviditeľné, sú zodpovedné za kolobeh uhlíka, dusíka a ďalších prvkov na Zemi. Rovnako nenahraditeľná je ich činnosť priamo v našom organizme, kde pomáhajú imunitnému systému, podporujú trávenie a produkujú pre človeka dôležité vitamíny. Súčasné biotechnológie využívajú baktérie aj na produkciu mnohých biotechnologicky alebo klinicky dôležitých látok, ako sú vakcíny, liečivá, hormóny a enzýmy. Napriek tomu sa väčšine z nás pri pojme baktérie vybaví najmä ich negatívny dopad na náš život vo forme mnohých infekčných ochorení.
.minulosť
Dá sa povedať, že v priebehu našej koevolúcie s baktériami sme sa voči týmto malým nepriateľom vybavili mnohými obrannými systémami, najmä imunitným systémom, pre život nevyhnutným. To nás do istej miery chráni, ale história nás presviedča, že nie vždy sa nám v tejto vojne s mikrosvetom baktérií darilo. Dôsledkom sú mnohé prípady pandémií, kde mali baktérie navrch a často boli zodpovedné za vyplienenie veľkej časti ľudskej populácie.
Napríklad pandémia moru zvaného čierna smrť, za ktorú boli zodpovedné patogénne baktérie Yersinia pestis, vyplienila v stredoveku až tretinu európskej populácie. Cholera a tuberkulóza, ktorých pôvodcami sú patogénne baktérie Vibrio cholerae a Mycobacterium tuberculosis, viedli ešte koncom 19. storočia takmer k stopercentnej úmrtnosti.
O objavenie baktérií ako príčiny ochorení sa v polovici 19. storočia zaslúžili najmä Louis Pasteur a Robert Koch, ktorí dali základ aj novej vednej disciplíne – mikrobiológii. Ale zastavenie pandémií priniesol až revolučný objav antibiotík v prvej polovici dvadsiateho storočia. Náhodný objav penicilínu Alexandra Fleminga odštartoval rozmach vedeckého bádania v tejto oblasti, kulminujúci zlatou érou antibiotík v období rokov 1945 až 1960.
Či si to uvedomujeme, alebo nie, tieto úžasné magické guľôčky („magic bullets“) – ako ich nazval jeden z priekopníkov ich výskumu, Paul Ehrlich – zachránili milióny ľudských životov.
Lenže nielen my sa bránime, baktérie sa bránia tiež. Či už mutáciami v génoch, alebo veľmi frekventovaným takzvaným horizontálnym prenosom (t. j. akýmsi rýchlym požičaním) génov potrebných na prežitie v prítomnosti antibiotík. Takým spôsobom sa v populácii patogénnych baktérií v malej miere vyselektujú formy, ktoré sú rezistentné na používané antibiotikum.
A človek tomu dokonca pomáha. Pretože nesprávne používanie a dávkovanie antibiotík, zbytočná antibiotická liečba vírusových ochorení alebo použitie antibiotík ako rastových stimulátorov v živočíšnej výrobe (v EÚ je v súčasnosti také použitie zakázané, ale v USA ešte stále nie) spôsobuje selekciu takzvaných multirezistentných baktérií. Proti takýmto baktériám sme viac-menej bezmocní a v súčasnosti sú pre ľudskú populáciu skutočnou hrozbou.
.budúcnosť
Ustavične sa objavujúce multirezistentné baktérie sú tikajúcou bombou, ktorej nebezpečenstvo si, našťastie, uvedomujú mnohé vedecké a klinické inštitúcie. Ich varovania našli v posledných rokoch určitú odozvu, odrazom čoho je rast podpory výskumu v tejto oblasti.
Čo vlastne môžeme robiť? Jednou možnosťou je klasický skríning toho, čo nám príroda ponúka vo forme prírodných produktov (ide o antibiotiká produkované mnohými, najmä pôdnymi baktériami a plesňami). Táto cesta je však zdĺhavá a ekonomicky náročná. Preto sa dnes javí ako perspektívnejší prístup založený na dramatickom prieniku moderných metód molekulovej biológie a genetiky do tejto oblasti.
Molekulová biológia a genetika sa zapodievajú štúdiom života na molekulárnej úrovni. Celý život každého živého organizmu je zakódovaný pomocou štvorpísmenkového kódu vo veľkej molekule DNA vo forme istých úsekov, t. j. génov. Ale pre samotný život je nevyhnutný ich prepis (expresia), ktorý sa následne prejavuje v životných funkciách každého živého organizmu od baktérií až po človeka.
Na rozdiel od mnohých neškodných baktérií sú patogénne baktérie charakteristické určitými vlastnosťami: schopnosťou preniknúť do svojho hostiteľa alebo ho kolonizovať (parazitovať), schopnosťou odolávať obranným mechanizmom hostiteľa a produkciou toxických látok, ktoré poškodzujú hostiteľa. Porovnanie sekvencií celých genómov (kompletnej DNA čiže všetkých génov) mnohých patogénnych baktérií s genómami podobných, ale bezpečných bakteriálnych druhov, odhalilo mnohé takzvané gény patogenicity. Práve tieto gény sú zodpovedné za to, že niektoré baktérie sú patogénne a spôsobujú infekčné ochorenia.
Najnovšie poznatky preukázali veľmi sofistikované riadenie expresie génov patogenicity pre každé špecifické miesto infekcie v hostiteľovi, pre produkciu toxínov a dokonca pre ukrytie sa v imunitných bunkách (kde sú akoby „trójskym koňom“ umožňujúcim ich rozšírenie v celom organizme). Ak sa chceme vedieť brániť proti týmto nebezpečným multirezistentným baktériám, musíme veľmi dobre poznať molekulové mechanizmy patogenicity a analýzou génov patogenicity v týchto baktériách identifikovať najslabšie miesta. Na tieto „ciele“ potom môžeme čo najefektívnejšie zaútočiť pri liečbe daného typu infekčného ochorenia.
„Cieľmi“ sú vo veľkej väčšine prípadov bielkoviny, ktoré sú produktom prepisu génov. Po štruktúrnej analýze týchto bielkovín je možné počítačovým modelovaním navrhnúť a následne pripraviť špecifické liečivá, ktoré by sa na tieto „ciele“ viazali a zamedzili tak rast a infekčnosť patogénnej baktérie. A hoci je tento výskum zatiaľ iba v počiatkoch, viaceré súčasné výsledky sú veľmi povzbudzujúce. V budúcnosti budeme zrejme bojovať proti baktériám liečivami, ktoré budú oveľa účinnejšie ako dnešné antibiotiká a zároveň bude výrazne znížená pravdepodobnosť selekcie baktérií rezistentných voči takto pripraveným liečivám.
Iným veľmi nádejným prístupom pri príprave nových účinných antibiotík, založeným na technikách molekulovej biológie, je takzvaná „kombinačná biosyntéza“ antibiotík. Prírodné antibiotiká sú syntetizované veľkým komplexom mnohých enzýmových bielkovín, z ktorých každá uskutoční jednu chemickú reakciu vedúcu k výslednej štruktúre molekuly antibiotika. Všetky tieto enzýmy sú kódované génmi, ktoré sú usporiadané v dlhých úsekoch zvaných „klastre“. Klastre génov mnohých v prírode vytváraných antibiotík boli identifikované a spoľahlivo charakterizované. S využitím tejto informácie boli potom sofistikovaným zmiešaním génov z rôznych antibiotikových klastrov pripravené úplne nové klastre. Tieto klastre boli následne zavedené do produkčných baktérií a tieto baktérie začali produkovať úplne nové, v prírode sa nevyskytujúce antibiotiká. V súčasnosti sú známe už stovky takýchto antibiotík a mnohé z nich majú veľmi účinné vlastnosti pri liečbe infekčných, ako aj nádorových ochorení. Viaceré z týchto látok sú už dokonca v jednotlivých etapách klinických testov na ich zavedenie do klinickej praxe.
Autor je vedúci oddelenia Génovej expresie Ústavu molekulárnej biológie SAV.
Dnes skoro každý vie, že za väčšinu infekčných ochorení, ktoré nám znepríjemňujú život a v niektorých prípadoch ho aj ohrozujú, sú zodpovedné buď navonok neživé vírusy, alebo malé mikroorganizmy – patogénne baktérie. V rámci evolúcie sa svety baktérií a človeka navzájom ovplyvňovali, či už v pozitívnom, alebo v negatívnom slova zmysle. A či už si to prajeme, alebo nie, baktérie tu jednoducho sú a človek ako koruna tvorstva sa tejto koexistencii musel prispôsobiť.
Tisíce rokov ľudia nemali o baktériách ani poňatia a iba navonok pozorovali výsledky ich činnosti, produktom ktorej boli mnohé známe potraviny a nápoje. Bez pôsobenia baktérií by sme nemali mnohé veľmi chutné potraviny a nápoje, ako napríklad jogurty, syry, čaj, káva, víno či pivo.
Bez baktérií by život na Zemi nebol možný a človek je od nich v mnohom závislý. Tieto tvory, ľudskému oku neviditeľné, sú zodpovedné za kolobeh uhlíka, dusíka a ďalších prvkov na Zemi. Rovnako nenahraditeľná je ich činnosť priamo v našom organizme, kde pomáhajú imunitnému systému, podporujú trávenie a produkujú pre človeka dôležité vitamíny. Súčasné biotechnológie využívajú baktérie aj na produkciu mnohých biotechnologicky alebo klinicky dôležitých látok, ako sú vakcíny, liečivá, hormóny a enzýmy. Napriek tomu sa väčšine z nás pri pojme baktérie vybaví najmä ich negatívny dopad na náš život vo forme mnohých infekčných ochorení.
.minulosť
Dá sa povedať, že v priebehu našej koevolúcie s baktériami sme sa voči týmto malým nepriateľom vybavili mnohými obrannými systémami, najmä imunitným systémom, pre život nevyhnutným. To nás do istej miery chráni, ale história nás presviedča, že nie vždy sa nám v tejto vojne s mikrosvetom baktérií darilo. Dôsledkom sú mnohé prípady pandémií, kde mali baktérie navrch a často boli zodpovedné za vyplienenie veľkej časti ľudskej populácie.
Napríklad pandémia moru zvaného čierna smrť, za ktorú boli zodpovedné patogénne baktérie Yersinia pestis, vyplienila v stredoveku až tretinu európskej populácie. Cholera a tuberkulóza, ktorých pôvodcami sú patogénne baktérie Vibrio cholerae a Mycobacterium tuberculosis, viedli ešte koncom 19. storočia takmer k stopercentnej úmrtnosti.
O objavenie baktérií ako príčiny ochorení sa v polovici 19. storočia zaslúžili najmä Louis Pasteur a Robert Koch, ktorí dali základ aj novej vednej disciplíne – mikrobiológii. Ale zastavenie pandémií priniesol až revolučný objav antibiotík v prvej polovici dvadsiateho storočia. Náhodný objav penicilínu Alexandra Fleminga odštartoval rozmach vedeckého bádania v tejto oblasti, kulminujúci zlatou érou antibiotík v období rokov 1945 až 1960.
Či si to uvedomujeme, alebo nie, tieto úžasné magické guľôčky („magic bullets“) – ako ich nazval jeden z priekopníkov ich výskumu, Paul Ehrlich – zachránili milióny ľudských životov.
Lenže nielen my sa bránime, baktérie sa bránia tiež. Či už mutáciami v génoch, alebo veľmi frekventovaným takzvaným horizontálnym prenosom (t. j. akýmsi rýchlym požičaním) génov potrebných na prežitie v prítomnosti antibiotík. Takým spôsobom sa v populácii patogénnych baktérií v malej miere vyselektujú formy, ktoré sú rezistentné na používané antibiotikum.
A človek tomu dokonca pomáha. Pretože nesprávne používanie a dávkovanie antibiotík, zbytočná antibiotická liečba vírusových ochorení alebo použitie antibiotík ako rastových stimulátorov v živočíšnej výrobe (v EÚ je v súčasnosti také použitie zakázané, ale v USA ešte stále nie) spôsobuje selekciu takzvaných multirezistentných baktérií. Proti takýmto baktériám sme viac-menej bezmocní a v súčasnosti sú pre ľudskú populáciu skutočnou hrozbou.
.budúcnosť
Ustavične sa objavujúce multirezistentné baktérie sú tikajúcou bombou, ktorej nebezpečenstvo si, našťastie, uvedomujú mnohé vedecké a klinické inštitúcie. Ich varovania našli v posledných rokoch určitú odozvu, odrazom čoho je rast podpory výskumu v tejto oblasti.
Čo vlastne môžeme robiť? Jednou možnosťou je klasický skríning toho, čo nám príroda ponúka vo forme prírodných produktov (ide o antibiotiká produkované mnohými, najmä pôdnymi baktériami a plesňami). Táto cesta je však zdĺhavá a ekonomicky náročná. Preto sa dnes javí ako perspektívnejší prístup založený na dramatickom prieniku moderných metód molekulovej biológie a genetiky do tejto oblasti.
Molekulová biológia a genetika sa zapodievajú štúdiom života na molekulárnej úrovni. Celý život každého živého organizmu je zakódovaný pomocou štvorpísmenkového kódu vo veľkej molekule DNA vo forme istých úsekov, t. j. génov. Ale pre samotný život je nevyhnutný ich prepis (expresia), ktorý sa následne prejavuje v životných funkciách každého živého organizmu od baktérií až po človeka.
Na rozdiel od mnohých neškodných baktérií sú patogénne baktérie charakteristické určitými vlastnosťami: schopnosťou preniknúť do svojho hostiteľa alebo ho kolonizovať (parazitovať), schopnosťou odolávať obranným mechanizmom hostiteľa a produkciou toxických látok, ktoré poškodzujú hostiteľa. Porovnanie sekvencií celých genómov (kompletnej DNA čiže všetkých génov) mnohých patogénnych baktérií s genómami podobných, ale bezpečných bakteriálnych druhov, odhalilo mnohé takzvané gény patogenicity. Práve tieto gény sú zodpovedné za to, že niektoré baktérie sú patogénne a spôsobujú infekčné ochorenia.
Najnovšie poznatky preukázali veľmi sofistikované riadenie expresie génov patogenicity pre každé špecifické miesto infekcie v hostiteľovi, pre produkciu toxínov a dokonca pre ukrytie sa v imunitných bunkách (kde sú akoby „trójskym koňom“ umožňujúcim ich rozšírenie v celom organizme). Ak sa chceme vedieť brániť proti týmto nebezpečným multirezistentným baktériám, musíme veľmi dobre poznať molekulové mechanizmy patogenicity a analýzou génov patogenicity v týchto baktériách identifikovať najslabšie miesta. Na tieto „ciele“ potom môžeme čo najefektívnejšie zaútočiť pri liečbe daného typu infekčného ochorenia.
„Cieľmi“ sú vo veľkej väčšine prípadov bielkoviny, ktoré sú produktom prepisu génov. Po štruktúrnej analýze týchto bielkovín je možné počítačovým modelovaním navrhnúť a následne pripraviť špecifické liečivá, ktoré by sa na tieto „ciele“ viazali a zamedzili tak rast a infekčnosť patogénnej baktérie. A hoci je tento výskum zatiaľ iba v počiatkoch, viaceré súčasné výsledky sú veľmi povzbudzujúce. V budúcnosti budeme zrejme bojovať proti baktériám liečivami, ktoré budú oveľa účinnejšie ako dnešné antibiotiká a zároveň bude výrazne znížená pravdepodobnosť selekcie baktérií rezistentných voči takto pripraveným liečivám.
Iným veľmi nádejným prístupom pri príprave nových účinných antibiotík, založeným na technikách molekulovej biológie, je takzvaná „kombinačná biosyntéza“ antibiotík. Prírodné antibiotiká sú syntetizované veľkým komplexom mnohých enzýmových bielkovín, z ktorých každá uskutoční jednu chemickú reakciu vedúcu k výslednej štruktúre molekuly antibiotika. Všetky tieto enzýmy sú kódované génmi, ktoré sú usporiadané v dlhých úsekoch zvaných „klastre“. Klastre génov mnohých v prírode vytváraných antibiotík boli identifikované a spoľahlivo charakterizované. S využitím tejto informácie boli potom sofistikovaným zmiešaním génov z rôznych antibiotikových klastrov pripravené úplne nové klastre. Tieto klastre boli následne zavedené do produkčných baktérií a tieto baktérie začali produkovať úplne nové, v prírode sa nevyskytujúce antibiotiká. V súčasnosti sú známe už stovky takýchto antibiotík a mnohé z nich majú veľmi účinné vlastnosti pri liečbe infekčných, ako aj nádorových ochorení. Viaceré z týchto látok sú už dokonca v jednotlivých etapách klinických testov na ich zavedenie do klinickej praxe.
Autor je vedúci oddelenia Génovej expresie Ústavu molekulárnej biológie SAV.
Ak ste našli chybu, napíšte na web@tyzden.sk.